High speed time-multiplexing enabled multi-dimensional silicon photonic parallel computing

يتزايد عالم الذكاء الاصطناعي بوتيرة تضغط على حدود الحواسيب التي نستخدمها اليوم. تعتمد هذه الأنظمة بشكل كبير على إجراء أعداد هائلة من الحسابات في وقت واحد، وهي مهمة أصبحت صعبة بشكل متزايد على الرقائق الإلكترية التقليدية للتعامل معها بكفاءة. ومع ارتفاع الطلب على معالجة أسرع وأكثر استهلاكاً للطاقة، يتطلع العلماء نحو الضوء نفسه كحل. ينتقل الضوء بسرعة مذهلة ويمكنه حمل كميات هائلة من المعلومات دون الحرارة واستنزاف الطاقة المرتبط بنقل الإلكترونات عبر الأسلاك. يهدف هذا المجال، المعروف باسم الحوسبة الضوئية، إلى استبدال الدوائر الإلكترونية أو تعزيزها بدوائر بصرية، باستخدام الخصائص الفريدة للضوء لأداء المهام الرياضية المعقدة. ومع ذلك، ظل هناك عائق رئيسي: فبينما يوفر الضوء إمكانات كبيرة من حيث السرعة، فإن بناء أنظمة بصرية يمكنها القيام بنفس قدر العمل الذي تقوم به الأنظمة الإلكترونية دون أن تصبح ضخمة أو مكلفة بشكل مستحيل كان يمثل تحدياً مستمراً.

لقد أظهر باحثون في جامعة لانزو الآن طريقة جديدة للتغلب على قيود الحجم هذه، من خلال إنشاء شريحة بصرية قائمة على السيليكون تؤدي حسابات معقدة باستخدام الضوء بطرق متعددة في آن واحد. وبدلاً من مجرد إضافة المزيد من المكونات المادية للتعامل مع المزيد من البيانات، وجد الفريق طريقة لجعل قطعة واحدة صغيرة من الأجهزة تقوم بعمل العديد من القطع. لقد حققوا ذلك من خلال التعامل مع الضوء ليس فقط كتدفق للبيانات، بل كأداة متعددة الأبعاد. تخيل شعاعاً واحداً من الضوء يمكن تقسيمه إلى ألوان مختلفة، وأشكال مختلفة من الاهتزاز، ومسارات مختلفة عبر الفضاء، كل ذلك بينما تتغير المعلومات التي يحملها ذلك الضوء بسرعة عبر الزمن. نجح الفريق في دمج هذه الجوانب المختلفة -اللون، والشكل، والفضاء، والزمن- في نظام واحد موحد. ومن خلال القيام بذلك، أنشأوا محرك حوسبة قابل لإعادة التشكيل حيث يمكن إعادة برمجة الأجزاء المادية نفسها في جزء من الثانية لأداء مهام مختلفة تماماً، بدءاً من التعرف على الأنماط البسيطة وصولاً إلى تحديد الميزات المعقدة في الصور.

يكمن جوهر إنجازهم في كيفية تنظيم هذه الأبعاد المختلفة للضوء. في تصميمهم، يعمل لون الضوء، والطريقة المحددة لاهتزاز موجات الضوء، والمسار الفيزيائي الذي يسلكه الضوء عبر الشريحة، كمسارات منفصلة للبيانات. تعمل هذه المسارات جنباً إلى جنب، مما يسمح للنظام بمعالجة العديد من قطع المعلومات في اللحظة ذاتها. لكن الباحثين ذهبوا إلى أبعد من ذلك بإضافة البعد الرابع: الزمن. لقد استخدموا مفاتيح عالية السرعة لتغيير التعليمات، أو "الأوزان"، التي يواجهها الضوء أثناء انتقاله بسرعة. وهذا يعني أن مكوناً بصرياً واحداً يمكنه إجراء تسلسل من الحسابات المختلفة واحداً تلو الآخر، بسرعة تجعله يعمل فعلياً كعديد من المكونات المختلفة التي تعمل بالتوازي. يسمح هذا النهج بأن تكون الشريحة أصغر بكثير من التصميمات السابقة، التي كانت ستتطلب جهازاً فيزيائياً منفصلاً لكل عملية حسابية مطلوبة.

لإثبات أن هذا المفهوم يعمل، بنى الفريق شريحة فيزيائية باستخدام تقنيات تصنيع قياسية متوافقة مع صناعة الإلكترونيات. واختبروا هذا الجهاز بمهام واقعية شائعة في الذكاء الاصطناعي. أولاً، استخدموه لتحديد أنواع مختلفة من زهور السوسن بناءً على قياساتها، وهي مهمة تتطلب من الشريحة تصنيف البيانات إلى ثلاث فئات متميزة. تعلم النظام بنجاح التمييز بين أنواع الزهور باستخدام مكون بصري واحد تولى عملية التصنيف بأكملها من خلال التبديل السريع لإعداداته. بعد ذلك، وضعوا الشريحة أمام مهمة التعرف على الأرقام المكتوبة بخط اليد، وهو اختبار كلاسيكي للرؤية الحاسوبية. عالجت الشريحة صور الأرقام وحددت هويتها بدقة عالية، مما أظهر قدرتها على التعامل مع الرياضيات المعقدة المطلوبة للتعرف على الصور.

ربما كان العرض الأكثر إثارة للإعجاب هو قدرة الشريحة على أداء مهام متعددة في وقت واحد. برمج الباحثون الجهاز للكشف عن الحواف في صورة ما -أي إيجاد الحدود حيث ينتهي الجسم وتبدأ الخلفية. في الأنظمة التقليدية، يتطلب العثور على الحواف في الجوانب اليمنى واليسرى والعلوية والسفلية للصورة تشغيل أربع عمليات حسابية منفصلة واحدة تلو الأخرى. في هذا النظام الجديد، قامت الشريحة بجميع مهام الكشف عن الحواف الأربع في آن واحد. فعلت ذلك باستخدام الألوان المختلفة وأشكال اهتزاز الضوء لحمل التعليمات الخاصة بكل اتجاه، بينما ضمن التبديل السريع القائم على الزمن معالجة البيانات بشكل صحيح. وكانت النتيجة هي إنتاج خريطة كاملة لحواف الصورة في تمريرة واحدة، وهو إنجاز يتطلب عادةً الكثير من الأجهزة والوقت.

طبق الفريق أيضاً هذه التكنولوجيا في تطبيق أكثر تقدماً: التعرف على بصمات الأصابع. فقد أنشأوا نظاماً يقارن بين صورتين لمعرفة ما إذا كانت متطابقتين، وهي عملية حاسمة للأمن وتحديد الهوية. عملت الشريحة كدماغ لهذا النظام، حيث استخلصت الميزات من كل من بصمة الإصبع المرجعية والبصمة المختبرة في نفس الوقت. ومن خلال مقارنة النتائج، استطاع النظام تحديد ما إذا كانت البصمتان تنتميان إلى الشخص نفسه بموثوقية عالية. أظهرت هذه التجربة أن التكنولوجيا ليست قادرة على إجراء رياضيات بسيطة فحسب، بل يمكنها أيضاً التعامل مع المنطق المعقد متعدد الخطوات المطلوب لتطبيقات الأمن في العالم الحقيقي.

مقاييس الأداء لهذه الشريحة الجديدة مذهلة. فقد قاس الباحثون كمية العمل التي يمكن أن تقوم بها الشريحة لكل وحدة مساحة ووجدوا أنها كثيفة للغاية، وقادرة على إجراء تريليونات العمليات في الثانية في مساحة ضئيلة. ومن حيث الطاقة، فإن النظام فعال بشكل ملحوظ، حيث يستهلك كمية ضئيلة جداً من الطاقة لكل عملية حسابية يقوم بها. تشير هذه الأرقام إلى أن هذا النهج ليس سليماً من الناحية النظرية فحسب، بل هو قابل للتطبيق عملياً لبناء حواسيب مستقبلية قوية وموفرة للطاقة في آن واحد. يمهد هذا العمل طريقاً واضحاً للمستقبل في مجال الفوتونيات السيليكونية، موضحاً أنه من الممكن بناء بنيات حوسبية لا تزيد فيها السعة المنطقية بالضرورة مع زيادة عدد الأجهزة الفيزيائية.

لا يدعي هذا البحث أنه قد حل جميع مشاكل الحوسبة، لكنه يقدم خطوة مهمة نحو نوع جديد من المعالجات. من خلال إثبات أن شريحة سيليكون واحدة يمكن إعادة تشكيلها فورياً للتعامل مع أنواع مختلفة من المهام المعقدة باستخدام الضوء في أبعاد متعددة، فتح الفريق الباب أمام أجهزة ذكاء اصطناعي أكثر دمجاً وكفاءة. إن القدرة على إجراء حسابات متوازية عالية السرعة دون الحاجة إلى مصفوفات ضخمة من المكونات المادية تشير إلى مستقبل لا تعود فيه حدود قوة الحوسبة مقيدة بحجم الشريحة نفسها. ومع استمرار نمو الطلب على تكنولوجيا أسرع وأكثر رفقاً بالبيئة، توفر هذه الطريقة في استخدام الإمكانات الكاملة للضوء مساراً واعداً لتلبية تلك الاحتياجات.